高二化学金属的冶炼、原电池的原理及其应用人教版知识精讲

高二化学金属的冶炼 原电池的原理及其应用人教版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 金属的冶炼 原电池的原理及其应用 二 重点 难点 1 了解金属冶炼的一般原理及步骤 2 记住金属冶炼的三种方法 即热分解法 热还原法和电解法 3 常识性介绍金属回收与环境资源保护的意义 4 使学生理解原电池原理 5 常识性介绍日常生活中常用的化学电源和新型化学电池 6 使学生了解金属的电化学腐蚀 三 知识分析 一 金属元素在自然界中的存在形式 化学性质不活泼的金属 在自然界中能以游离态的形式存在 如金 铂 化学性质比较活泼的金属 在自然界以化合态的形式存在 如铝在自然界以铝土矿的 形式存在 自然界中化合态的金属元素多 游离态的金属元素少 自然界中的金属元素种类约占全部元素种类的 80 矿物中 动植物体中 水中都含 有金属元素 在地壳中含量较多的前两位金属元素为铝 铁 二 金属的冶炼 1 金属冶炼的手段 回忆总结冶炼金属时的还原手段有哪些 各举一例说明 1 加热法 适用于一些很不活泼的金属 它们位于金属活动顺序表中氢元素以后 练习 写出氧化汞 氧化银受热分解的化学方程式 2 还原剂法 大部分金属的冶炼都是在高温时使用还原法 采用适当的还原剂 焦炭 CO H2 活 泼金属等 将金属元素从化合物中还原出来 金属活动性顺序表的中间的多数金属适用此 法 用 C 或 CO 作还原剂 Fe Cu 用 H2作还原剂 工业上制取不含碳的金属或某些稀有金属 W 用活泼金属做还原剂 稀有贵金属的化合物有些非常稳定 可采用活泼金属做还原 剂的方法使其还原 得到高熔点的金属 Cr V 3 电解法 对活泼金属如 K Na Ca Mg Al 使用最强有力的还原手段 电解法包括电解熔融盐或氧化物及金属盐的水溶液 前者适用于冶炼极活泼的金属 它们位于金属活动顺序表中铝以前的金属 包括铝 对于较不活泼的金属 可用电解其盐 溶液的方法来获得金属 以上方法归纳为 2 金属冶炼的实质 金属冶炼就是把化合态的金属元素转变为金属单质 而化合态金属大多呈阳离子状态 所以冶炼金属的实质就是 使金属阳离子获得电子 还原为金属原子的过程 示意为 MneM n 三 原电池原理 1 概念 原电池是把化学能转变为电能的一种装置 Cu Zn 原电池 2 Cu Zn 原电池原理 锌活泼失去电子被氧化 铜板上带电子而显负电 溶液中离子在铜板上获得电子被还 原成氢气 电子流 负极正极 Zn 导线 Cu 电流 正极负极正极 导线 溶液 负极 电子流出的极 通常是活泼性较强的金属 电极本身被氧化 Zn Zn2 e2 正极 电子流入的极 通常是活泼性较弱的金属或非金属导体 电极上发生还原反应 2H H2 e2 3 构成原电池的条件 1 有两种活泼性不同的金属 或其中一种为非金属导体 作电极 2 电极均需插入电解质溶液 3 两极相互接触或用导线连接 铜 锌 硫酸电池是在 1789 年由意大利物理学家伏特所发明 为了纪念这一功勋 称 这种电池为伏打电池 至今人们已利用伏打电池原理制出多种新型电池 四 化学电源 人们应用原电池原理 制作了多种电池 如干电池 蓄电池 充电电池 高能电池等 在现代生活 生产和科学技术的发展中 电池发挥着越来越重要的作用 当今的电池工业 已能制造出各种各样的实用电池 广泛应用于日常生活 生产和科学技术等方面 1 实用电池的特点 能产生稳定而具有较高电压的电流 安全 耐用且便于携带 能够适用于特殊用途 便于回收处理 不污染环境或对环境产生影响较小 2 几种常见的电池 干电池 普通干电池一般是锌 锰干电池 随着用电器具朝着小型化 高性能化发展的要求 体积小 性能更好的碱性锌 锰电池应运而生 这类电池的重要特征是电解液由原来的 中性变为离子导电性更好的碱性 负极也由锌片改为锌粉 反应面积成倍增长 使放电电 流大幅度提高 这类电池的容量和放电时间比普通锌 锰电池增加几倍 干电池的电压 是 1 5 1 6V 它在使用时电阻逐渐增大 电压迅速降低 所以不宜长时间连续使用 使用 后的废干电池无法恢复到起始状态 所以它是一次性电池 简称一次电池 铅蓄电池 目前汽车上使用的电池 有很多都是铅蓄电池 铅蓄电池能反应充电 放电的电池 叫做二次电池 它的电压是 2V 它在充电时 电能转化为化学能 放电时化学能又转化为 电能 由于铅蓄电池的电压稳定 使用方便 安全 可靠 又可循环使用 因此是广泛用 于国防 科研 交通 生产和生活的化学电源 除了铅蓄电池外 还有多种蓄电池 如镍 镉可充电电池 银 锌蓄电池等 锂电池 锂是密度最小的金属 用锂作用为电池的负极 跟用相同质量的其他金属作负极相比 较 使用寿命大大延长 锂电池是一种高能电池 锂电池的特点 质量轻 电压高 工作 效率高 贮存寿命长 锂电池的用途 可用于电脑 照相机 手表 心脏起搏器上 以及 作为火箭 导弹等的动力电源 新型燃料电源 燃料电池不是把还原剂 氧化剂物质全部贮藏在电池内 而是在工作时 不断从外界 输入 同时将电极反应产物不断排出电池 燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应 的化学能直接转化为电能的 能量转换器 燃料电池的能量转化率很高 可达 70 以上 燃料电池的优点 体积小 能量大 使用方便 不污染环境 耗能少 三 废旧电池的回收 随着科技 经济的发展 工业 交通和人民生活中使用的电池越来越多 大量的电池 在给经济发展和群众生活带来方便的同时 也产生了负面的影响 废旧电池中含有多种重 金属和酸 碱等有害物质 随意丢弃 对生态环境和公众健康有很大的危害 废电池渗出 的重金属离子等将造成地下水和土壤的污染 威胁人类的健康 而且废电池中的有色金属 是宝贵的自然资源 如果能将废电池回收再利用 不仅可以减少对我们生存环境的破坏 而且也是对资源的节约 用完的电池 不能乱扔 应交到废旧电池回收点 四 金属的腐蚀和防护 我们已经掌握了原电池的化学原理 本节课就是要应用原电池的化学原理 研究金属 腐蚀的原因和金属的防护问题 1 金属的腐蚀 1 概念 金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程 2 实质 金属原子失去电子被氧化为离子的过程 也就是说 金属腐蚀的本质是金 属发生了氧化反应 3 类型 A 化学腐蚀和电化腐蚀 化学腐蚀电化腐蚀 条件 金属与非电解质直接接触 不与电 解质溶液接触 不纯金属或合金跟电解质溶液接触 现象无电流产生 不发生原电池反应 有电流产生 发生原电池反应 本质 发生氧化 还原反应 金属被腐 蚀 氧化反应和还原反应分两极进行 较 活泼的金属被腐蚀 相互关系两种腐蚀往往同时发生 但电化腐蚀更普遍 B 钢铁的析氢和吸氧腐蚀 表一 试管现象解释反应式 A 铁钉生锈 长导 管液面上升 发生析氢腐蚀 产生 H2试管内 气 体增多 压强增 大 导致导管 内液面上升 2 2 FeeFe 2 22 HeH B 铁钉生锈 长导 管内液面下降 发生吸氧腐蚀 消耗 O2试管内 气体减小 压强 减小 导致导管 内液面下降 2 2 FeeFe OHeOOH442 22 表二 形成条件 析氢腐蚀 水膜酸性较强 吸氧腐蚀 水膜酸性很弱或呈中性 电解质溶液溶有 CO2的水溶液溶有 O2的水溶液 负极Fe 负极反应 2 2FeeFe 正极C 正极反应 2 22HeH OHeOOH442 22 电子如何流动形成电通路 Fe 失 e 成为 Fe2 进入溶液 Fe 失去的 e 流入 C 极 H 趋向于 C 极与 C 极上的 e 结 合 成 H2析出溶液 Fe 失 e 成为 Fe2 进入溶液 Fe 失去的 e 流入 C 极 O2 在 C 极获得 e 成为 OH 进入 溶液 最终腐蚀产物 铁锈 的复杂水合物 32O Fe 普遍性吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍 2 金属防护 金属的腐蚀对国民经济带来的损失是惊人的 据 70 年代美国的一份统计报告 全世界 每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料 约相当于金属年产量的 1 3 至于因设备腐蚀损 坏而引起的停工减产 产品质量下降 污染环境 危害人体健康甚至造成严重事故的损失 就更无法估计了 当前 世界各国都有许多优秀的科学家 从事金属腐蚀理论及防护方法 的研究工作 有志者可选择这方面的课题研究 一定会大有作为 一旦有新的突破 产生 的经济效益和社会影响 必将是巨大的 金属防护的一般方法 制成合金 覆盖保护层 电化学防护 典型例题典型例题 例 1 下列叙述错误的是 A 炼铁时 还原剂 CO 将铁从铁矿中还原出来 B 活泼金属 Na 只能用电解法冶炼制出 C 汞的冶炼只能用还原剂法 D 铝的冶炼用还原剂法 答案 答案 CD 解析 解析 活泼金属 K Na Ca Al 用电解法冶炼 故 D 错 多数金属的冶炼用热还原 法如 Fe W Cr 等 有些不活泼金属用热分解法就可制得如 Hg Ag 等 故 C 错 例 2 把 3 2g 氧化铁完全还原 事先应准备的 CO 在标准状况下的体积为 A 1344mL B 672mL C 大于 1344mL D 小于 672mL 答案 答案 C 解析 解析 根据方程式 Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2计算出所需 CO 体积的理论值为 1344mL 而实验开始时 需先通入 CO 排尽玻璃管中空气 实验结束时 停止加热还需继 续通入 CO 至试管冷却 以防还原出来的铁被氧化 例 3 以锌片和铜片为两极 以稀硫酸为电解质溶液组成原电池 当导线中通过 2mol 电子 时 下列说法正确的是 A 锌片溶解了 1mol 时 铜片上析出 1mol 氢气 B 两极上溶解和析出的物质质量相等 C 锌片溶解了 1g 铜片上析出 1g 氢气 D 锌片溶解了 1mol 硫酸消耗了 1mol 答案 答案 A D 解析 解析 在涉及原电池的有关计算中 关键是要把握住一点即两极得 失电子数应相等 利用这一特点 我们从电极反应看 负极 Zn 2e Zn2 正极 2H 2e H2 当溶解 1mol 锌失去 2mol 电子 铜片上析出 1mol 氢气也得到 2mol 电子 得失电子守恒 这样既 可推出 A D 为选项 例 4 某原电池反应的离子方程式为 Fe 2H Fe2 H2 则下列说法正确的是 A HNO3为电解质溶液 B 锌为原电池正极 C 铁极质量不变 D 铜为原电池正极 答案 答案 D 解析 解析 由电池反应的离子方程式知 电池的负极为铁 则正极应是比铁不活泼的金属 B 被否定 在反应中负极不断被消耗 C 被否定 由于反应中放出了氢气并生成了 Fe2 故知电解质溶液不能是 HNO3 由上分析可知正确选项为 D 例 5 钢铁在很弱的酸性或中性条件下发生电化学腐蚀时 正极的反应式为 A Fe 2e Fe2 B 2H 2e H2 C 2H2O O2 4e 4OH D Fe 3e Fe3 答案 答案 C 解析 解析 钢铁中含有多种杂质 在考虑钢铁的电化学腐蚀时 为了简化问题 主要讨论 碳杂质问题 也就是以 Fe 为负极 C 为正极的原电池反应 在中性条件或弱酸性条件下发 生的是吸氧腐蚀 原电池的正极为 C 发生的是还原反应 即得电子反应 故 A D 选项 应排除 在 B C 选项中 B 项是析氢腐蚀的电极反应式 所以 C 项是符合题意的 例 6 根据下列实验事实 1 YXYX 22 2 OHZ 2 2 冷 22 HOHZ 3 Z2 离子的氧化性比 X2 弱 4 由 Y W 做电极组成的原电池反应为 Y 2e Y2 由此可知 X Y Z W 的还原性由强到弱的顺序是 A X Y Z W B Y X W Z C Z X Y W D Z Y X W 答案 答案 C 解析 解析 依据氧化还原反应的规律 由 1 可知 X 的还原性大于 Y Z 可与冷水反应 因而还原性最强 Z2 的氧化性比 X2 弱 其对应的金属 Z 的还原性大于 X 4 中 Y W 做电极组成的原电池 Y 做负极 可知 Y 的还原性大于 W 由此可知 X Y Z W 的还原性由强到弱的顺序是 Z X Y W 例 7 有人将铂丝插入 KOH 溶液中做电极 又在两极片上分别通入甲烷和氧气 设计一 种燃料电池 则通入甲烷的铂丝为 极 发生的电极反应为 该电池放电反应的 化学方程式为 电池工作时 溶液的 pH 填 变小 不变 变大 答案 答案 负极 CH4 10OH 8e CO32 7H2O CH4 2O2 2KOH K2CO3 3H2O 变小 解析 解析 因为该电池为燃料电池 依据的化学原理是 在此反应中 CH4失去电子 因此通入 CH4的铂丝为负极 CH4在负极失电子转变成 CO2 但因在碱性条件下 CO2将转化成 CO32 所以 负极反应为 CH4 10OH 8e CO32 7H2O 正极反应为 2O2 8e 4H2O 8OH 该电池放电反应的化学方程式为 CH4 2O2 2KOH K2CO3 3H2O 由此可知反应过程中 c OH 不断减少 c H 则不断增大 pH 即变小 例 8 据报道 美国正在研究的锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池 它具有容量大 等优点 其电池反应为 2Zn O2 2ZnO 其原料为锌 电解液和空气 则下列叙述正确的 是 A 锌为正极 空气进入负极反应 B 负极反应为 Zn 2e Zn2 C 正极发生氧化反应 D 电解液肯定不是强酸 分析 分析 由电池反应知 负极发生氧化反应为 Zn 2e Zn2 由此可知 A C 不对 B 正确 由于负极是较活泼的金属锌且产物为 ZnO 故电解液肯定不是强酸 否则无论电池 工作与否 锌极很快就会被腐蚀完 故 D 也正确 答案 答案 B D 模拟试题模拟试题 答题时间 40 分钟 1 下列各种冶炼方法中 可制得相应金属的是 A 加热氧化铝 B 加热碳酸钙 C 电解熔融氯化钠 D 氯化钠与铝粉高温共热 2 用氢气作还原剂和用金属作还原剂相比 所得金属的纯度的说法正确的是 A 用氢气的纯度高 B 用金属的纯度高 C 二者相同 D 无法比较 3 有 X Y Z W 四种金属 已知用 X 制的容器不能盛放 Z 的盐溶液 X 跟 Y 的盐溶 液不反应 只有 W 在自然界中能以单质形式存在 则这四种金属活动性顺序为 A B WXYZ WYZX C D WZXY WXZY 4 下列装置能组成原电池产生电流的是 A CuCu H2SO4 CuZn A Cu A Zn 汽 油 Fe A C FeCl3 AB CD 5 下列关于原电池的叙述正确的是 A 构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属 B 原电池是将化学能转变为电能的装置 C 在原电池中 电子流出的一极是负极 该电极被还原 D 原电池放电时 电流的方向是从负极到正极 6 根据下列事实可知 X Y Z W 还原性由强到弱的顺序是 比YXYX 22 冷水 OHZ 2 2 22 HOHZ 2 Z 氧化性弱 由 Y W 电极组成的原电池电极反应 2 XWeW 2 2 2 2YeY A B WYZX YXWZ C D WYXZ WXYZ 7 钢铁在锈蚀过程中 下列五种变化可能发生的是 由价转化为价 被还原 产生 失水Fe2 3 2 O 2 H 3 OHFe 生成 杂质 C 被氧化除去 32O Fe A B C D 8 电子计算器中所用钮扣式电池为银 锌电池 其电极分别为和 电解质溶OAg2Zn 液为溶液 电极反应为 KOH 2 22OHZneOHZn OHAgeOHOAg222 22 下列叙述正确的是 A 电流由锌经导线流向OAg2 B 是正极 发生氧化反应 是负极 发生还原反应ZnOAg2 C 是负极 发生氧化反应 是正极 发生还原反应ZnOA